本發(fā)明涉及功能紡織品設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電阻式壓力分布織物傳感器。

背景技術(shù)：

隨著智能家居和物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和興起之后，智能紡織品在近幾年已經(jīng)成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，但是作為核心部分的傳感原件大多依然采用傳統(tǒng)傳感器，其剛性大。由于人體有彎曲及可變形的身體部位，易于相對(duì)于傳感器彼此相互移動(dòng)，傳統(tǒng)剛性傳感器陣列的實(shí)際使用是有限的。相反，一個(gè)靈活的織物壓力傳感器是必需的，它基本保留了紡織品柔軟、易變形、舒適等特性。

織物壓力傳感器在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、家居生活、運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。織物壓力傳感器的研究不斷取得突破，國(guó)內(nèi)外已有部分專利和學(xué)術(shù)文獻(xiàn)被公開，如發(fā)明專利“柔性智能織物傳感器及其制造方法、智能床墊及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”(公開號(hào)：cn106236015a)，該專利通過(guò)在床墊上集成柔性智能織物傳感器，方便用戶在家睡覺(jué)時(shí)即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的身體體征狀況，其傳感原理是壓敏電阻，敏感層通過(guò)在織物纖維面料表面鑲嵌石墨烯及碳納米管之類納米敏感功能材料而形成，圖案化電極及電極引線通過(guò)在pvp、pdms等柔性襯底表面以壓印、打印等方法印制，敏感層和電極層形成三明治結(jié)構(gòu)。其不足之處在于電極層中的引線在柔性基底表面印刷，在拉伸變形中極易龜裂而使得電學(xué)性能失效；每個(gè)電極均需分別連接一條橫向引線和一條縱向引線，導(dǎo)致整體連線過(guò)于繁瑣和復(fù)雜；電極層被粘貼或者壓合在壓敏材料層表面，在使用中由于人體與傳感器之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致多層之間出現(xiàn)剪切錯(cuò)位，大大降低傳感器的穩(wěn)定性。美國(guó)專利“fabric-basedpressuresensorarraysandmethodsfordataanalysis”(公開號(hào)：us2012323501a1)中提出多種三明治陣列結(jié)構(gòu)的織物壓力傳感器，其傳感原理為電容式傳感，采用交叉電極夾持不導(dǎo)電織物形成電容結(jié)構(gòu)，交叉電極是采用濺射、打印等方法沉積導(dǎo)電物在織物表面形成帶狀。

除了上述被公開的專利之外，ieeeengineeringinmedicineandbiologysociety雜志2013年會(huì)議論文“fabric-basedpressuresensorarrayfordecubitusulcermonitoring”中介紹了在臨床上應(yīng)用織物壓力傳感器陣列對(duì)壓瘡監(jiān)控的案例，由三層織物組成傳感器，且上下層交錯(cuò)放置實(shí)現(xiàn)定位功能，該傳感器的傳感原理及結(jié)構(gòu)類似于前述專利(公開號(hào)：cn106236015a)。proceedingsofthesigchiconferenceonhumanfactorsincomputingsystems的會(huì)議論文“mechanicalforceredistribution:enablingseamless,large-format,high-accuracysurfaceinteraction”中設(shè)計(jì)了一款壓力再分配、無(wú)縫結(jié)合、高精度的大幅面的織物壓力傳感器。該款壓力傳感器并非全織物壓力傳感器，傳感器最上層為網(wǎng)格狀半剛性材料，中間兩層各作用點(diǎn)主要是通過(guò)打印壓阻墨水形成一個(gè)福賽爾聚酯纖維網(wǎng)格，最下層為剛性材料，不具備織物傳感器的柔性特點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)可能存在中間上下兩層響應(yīng)點(diǎn)無(wú)法精準(zhǔn)的一一對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生偏差，影響滑移摩擦過(guò)程中對(duì)接觸狀態(tài)的穩(wěn)定監(jiān)控。

綜上可知，現(xiàn)有的壓力分布傳感器以層狀結(jié)構(gòu)層合而成，使用導(dǎo)電銅線與數(shù)據(jù)采集單元相連接，電極層往往采用打印導(dǎo)電油墨固化而成，這種電極結(jié)構(gòu)耐反復(fù)彎曲、拉伸能力差。并且，現(xiàn)有傳感器結(jié)構(gòu)中電極層與電阻敏感層緊密接觸，在無(wú)壓力作用時(shí)仍處于工作狀態(tài)，功耗高，甚至可能出現(xiàn)長(zhǎng)期發(fā)熱引起安全隱患。當(dāng)傳感器被應(yīng)用于人體與接觸表面之間接觸狀態(tài)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，除了要求柔軟、舒適，還要求在人體反復(fù)運(yùn)動(dòng)或活動(dòng)中產(chǎn)生的拉、壓、彎及切向變形不破化傳感器結(jié)構(gòu)。為了滿足此類應(yīng)用要求，最好的傳感器為一體化織物結(jié)構(gòu)，且不依賴于織物表面的印、涂導(dǎo)電膜形成電極或敏感層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種電阻式壓力分布織物傳感器，能夠感知施加壓力的大小及位置，且不依賴于織物表面的印、涂導(dǎo)電膜。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種電阻式壓力分布織物傳感器，包括由上而下依次疊放的上電極層、導(dǎo)電層和下電極層；所述上電極層和下電極層均為采用導(dǎo)電紗線和不導(dǎo)電紗線織成不同寬度條文的織物，其中，導(dǎo)電紗線形成的條紋構(gòu)成電極，不導(dǎo)電紗線形成的條紋構(gòu)成電極隔離帶，兩種條紋間隔排列。

所述導(dǎo)電層是通過(guò)將聚吡咯原位聚合化學(xué)織物得到的導(dǎo)電織物。

所述導(dǎo)電層和下電極層之間還設(shè)有隔離層。

所述隔離層是以網(wǎng)孔組織和合成纖維織成的織物。

所述上電極層和下電極層以二者條紋正交結(jié)構(gòu)的方式放置，得到m*n陣列結(jié)構(gòu)，其中，m為上電極層中導(dǎo)電紗線形成的條紋數(shù)量；n為下電極層中導(dǎo)電紗線形成的條紋數(shù)量。

所述導(dǎo)電紗線還作為電阻式壓力分布織物傳感器的電極引線。

有益效果

由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1、本發(fā)明的電極層是采用導(dǎo)電紗線和不導(dǎo)電紗線交織而成的一體化條紋織物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以靈活便捷的設(shè)計(jì)不同監(jiān)測(cè)密度和精度的分布式織物壓力傳感器，耐彎折及拉伸疲勞性能大大優(yōu)于涂層或印刷導(dǎo)電電極。

2、本發(fā)明中的電極引線可采用織造導(dǎo)電條紋的部分導(dǎo)電紗線，簡(jiǎn)化了整體電路結(jié)構(gòu)，提高了電極-引線連接穩(wěn)定性，提升了傳感器的穩(wěn)定性和柔性特征。

3、導(dǎo)電層和電極層之間加入隔離層形成壓敏電阻結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)傳感器在無(wú)壓力或者較小壓力下時(shí)，處于不工作狀態(tài)，既有效地延長(zhǎng)了其使用壽命，還達(dá)到了環(huán)保節(jié)能的效果。

4、整個(gè)分布式織物壓力傳感器采用織物原料，極大地保留了其舒適柔軟的特性，為之后應(yīng)用在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)等方面提供了便利。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的電阻式壓力分布織物傳感器的示意圖；

圖2是壓力分布織物傳感器電極層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是壓力分布織物傳感器隔離層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是壓力分布織物傳感器電極層交織陣列的示意圖；

圖5是壓力分布織物傳感器的等效電路圖；

圖6為無(wú)壓力時(shí)壓力分布織物傳感器的剖面圖；

圖7為有壓力時(shí)壓力分布織物傳感器的剖面圖；

圖8a是在15n、20n載荷下，持續(xù)按壓d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖；

圖8b是在25n、30n載荷下，持續(xù)按壓d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖；

圖8c是在35n、40n載荷下，持續(xù)按壓d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖；

圖9a是在15n、20n載荷下，同時(shí)按壓四個(gè)交織點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖；

圖9b是在25n、30n載荷下，同時(shí)按壓四個(gè)交織點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖；

圖9c是在35n、40n載荷下，同時(shí)按壓四個(gè)交織點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種電阻式壓力分布織物傳感器，如圖1所示，包括由上而下依次疊放的上電極層1、導(dǎo)電層2和下電極層4；如圖2所示，所述上電極層1和下電極層4均為采用導(dǎo)電紗線和不導(dǎo)電紗線織成不同寬度條文的織物，其中，導(dǎo)電紗線形成的條紋構(gòu)成電極，不導(dǎo)電紗線形成的條紋構(gòu)成電極隔離帶，兩種條紋間隔排列。所述上電極層1和下電極層4以二者條紋正交結(jié)構(gòu)的方式放置，得到m*n陣列結(jié)構(gòu)，其中，m為上電極層中導(dǎo)電紗線形成的條紋數(shù)量；n為下電極層中導(dǎo)電紗線形成的條紋數(shù)量，如此可以靈活便捷的設(shè)計(jì)不同監(jiān)測(cè)密度和精度的分布式織物壓力傳感器。本實(shí)施方式中，采用導(dǎo)電紗線作為電極引線，由導(dǎo)電電極條紋的部分紗線構(gòu)成，簡(jiǎn)化了整體電路結(jié)構(gòu)，提升了傳感器的柔性特征。

所述導(dǎo)電層2和下電極層4之間還設(shè)有隔離層3，如圖3所示，所述隔離層3是以網(wǎng)孔組織和合成纖維織成的織物。在導(dǎo)電層2和下電極層4之間加入了隔離層3可以形成傳感器的壓敏電阻單元。同時(shí)，這種多層結(jié)構(gòu)使得整個(gè)傳感器在無(wú)壓力或者較小壓力下時(shí)，處于不工作狀態(tài)，減少了電路熱量的產(chǎn)生，有效地延長(zhǎng)了其使用壽命，達(dá)到了環(huán)保節(jié)能及安全的目的。

下面通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

圖1所示的是一種電阻式壓力分布織物傳感器，包括上電極層1和下電極層4、導(dǎo)電層2和滌綸織物網(wǎng)孔布隔離層3，其中上電極層1和下電極層4均是采用鍍銀錦綸導(dǎo)電紗線和滌綸不導(dǎo)電紗線交織而成的一體化成型條紋織物，導(dǎo)電層2是通過(guò)聚吡咯原位聚合得到的導(dǎo)電織物，導(dǎo)電效果良好，隔離層3采用滌綸化纖織物網(wǎng)格布，引線即電極層的鍍銀紗線的伸出部分。在本實(shí)例中，上電極層1和下電極層4組成了一個(gè)2*2的陣列結(jié)構(gòu)，假定四個(gè)交織點(diǎn)為圖4所示的a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)、d點(diǎn)，箭頭指向代表電流輸入和輸出方向。圖5為壓力分布織物傳感器的等效電路圖，當(dāng)壓力分布織物傳感器與外接電路相連時(shí)，使用無(wú)線多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采集。由于按壓交織點(diǎn)產(chǎn)生的電壓變化情況，通過(guò)電阻r1、電阻r2、電阻r'1、電阻r'2(r1＝r2＝200ω、r'1＝r'2＝100ω)來(lái)確定力的大小和位置。圖6為無(wú)壓力時(shí)壓力分布織物傳感器的剖面圖，圖7為有壓力時(shí)壓力分布織物傳感器的剖面圖，即壓敏電阻層導(dǎo)電織物透過(guò)網(wǎng)孔，電路接通，產(chǎn)生電壓變化，通過(guò)無(wú)線多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集電壓變化，并且顯示在電腦程序或者手機(jī)app中。

圖8是在15n、20n、25n、30n、35n、40n載荷下，持續(xù)按壓d點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖；圖9是在強(qiáng)度15n、20n、25n、30n、35n、40n載荷下，同時(shí)按壓四個(gè)交織點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓值圖。

由圖8可以看出，單個(gè)交織點(diǎn)在不同程度載荷下，電壓變化明顯，響應(yīng)靈敏；由圖9可以看出，同時(shí)按壓時(shí)，與單個(gè)交織點(diǎn)被按壓時(shí)相比有明顯區(qū)別，說(shuō)明該壓力分布織物傳感器既可以實(shí)現(xiàn)感知壓力大小和位置，又能節(jié)約能源、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的雙重效果。